Wissenschaftler berechnen Vorhersagen für Mesonenmessungen

Kernphysiktheoretiker am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben gezeigt, dass komplexe Berechnungen auf Supercomputern die Verteilung elektrischer Ladungen in Mesonen, Teilchen aus Quarks und Antiquarks, genau vorhersagen können. Wissenschaftler wollen in Hochenergieexperimenten am künftigen Electron-Ion Collider (EIC), einem im Bau befindlichen Teilchenbeschleuniger am Brookhaven Laboratory, mehr über Mesonen – und die gesamte Klasse von Teilchen aus Quarks, zusammenfassend Hadronen genannt – erfahren.

Vorhersagen und Messungen am EIC werden zeigen, wie Quarks und die Gluonen, die sie in Hadronen zusammenhalten, die Masse und Struktur fast aller sichtbaren Materie erzeugen.

„Das grundlegende wissenschaftliche Ziel des EIC besteht darin, zu verstehen, wie die Eigenschaften von Hadronen, einschließlich Mesonen und den bekannteren Protonen und Neutronen, aus der Verteilung ihrer Quarks und Gluonen entstehen“, sagte Swagato Mukherjee, ein Theoretiker des Brookhaven Lab. der die Forschung leitete.

Das leichteste Meson, das Pion, spielt eine wesentliche Rolle bei der Kernkraft, die Protonen und Neutronen in Atomkernen bindet. Durch die Erforschung der Geheimnisse von Pionen, Protonen und anderen Hadronen wird das EIC Wissenschaftlern dabei helfen, herauszufinden, wie alles, was aus Atomen besteht, aneinander haftet.

Die neuen Vorhersagen, die gerade veröffentlicht wurden Briefe zur körperlichen Untersuchungpassen gut zu Messungen von Niedrigenergieexperimenten in der Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) des DOE, Brookhavens Partner beim Bau des EIC, und erstrecken sich auf den Hochenergiebereich, der für Experimente in der neuen Anlage geplant ist. Diese Vorhersagen sind wichtig, da sie eine Vergleichsbasis bieten werden, wenn EIC-Experimente Anfang der 2030er Jahre beginnen.

Die Ergebnisse gehen jedoch über die Festlegung von Erwartungen für eine einzelne EIC-Maßnahme hinaus. Wie in der Arbeit beschrieben, nutzten die Wissenschaftler ihre Vorhersagen zusammen mit zusätzlichen unabhängigen Berechnungen auf einem Supercomputer, um einen weit verbreiteten Ansatz zur Entschlüsselung von Teilcheneigenschaften zu validieren. Dieser als Faktorisierung bezeichnete Ansatz unterteilt komplexe physikalische Prozesse in zwei Komponenten oder Faktoren. Die Validierung der Faktorisierung wird viel mehr EIC-Vorhersagen und zuverlässigere Interpretationen experimenteller Ergebnisse ermöglichen.

Untersuchen Sie Hadronen

Um die innere Zusammensetzung von Hadronen zu untersuchen, wird das EIC hochenergetische Elektronen mit Protonen oder Atomkernen kollidieren lassen. Die vom Elektron emittierten virtuellen Photonen oder Lichtteilchen helfen dabei, die Eigenschaften des Hadrons aufzudecken, ähnlich wie ein Mikroskop für die Bausteine ​​der Materie.

Kollisionen am EIC werden präzise Messungen verschiedener physikalischer Diffusionsprozesse ermöglichen. Um diese präzisen Messungen in hochauflösende Bilder der Bestandteile der in Hadronen enthaltenen Materie umzuwandeln, verlassen sich Wissenschaftler auf Faktorisierung. Dieser theoretische Ansatz unterteilt die experimentelle Messung (z. B. die Verteilung elektrischer Ladungen in Mesonen) in zwei Komponenten, sodass Wissenschaftler das Wissen über zwei Teile des Prozesses nutzen können, um Informationen über den dritten Teil abzuleiten.

Stellen Sie sich eine mathematische Gleichung vor, bei der X = Y × Z. Der Gesamtwert, das Innere des Hadrons. Der andere Faktor, Z, beschreibt die Wechselwirkungen dieser Quarks und Gluonen mit dem hochenergetischen virtuellen Photon, das vom kollidierenden Elektron emittiert wird.

Quark/Gluon-Verteilungen sind aufgrund der starken Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen innerhalb eines Hadrons sehr schwer zu berechnen. Diese Berechnungen umfassen Milliarden von Variablen, die durch die Theorie der starken Wechselwirkung beschrieben werden, die als Quantenchromodynamik (QCD) bekannt ist. Die Lösung von QCD-Gleichungen erfordert typischerweise die Simulation von Wechselwirkungen in einem imaginären Raum-Zeit-Netzwerk mithilfe leistungsstarker Supercomputer.

Die Wechselwirkungen von Quarks und Gluonen mit dem virtuellen Photon sind jedoch relativ schwach. Theoretiker können diese Werte also mithilfe von Stift-auf-Papier-Berechnungen ableiten. Anschließend können sie diese einfachen Berechnungen in Kombination mit experimentellen Messungen (oder vorhergesagten Messungen) – und der mathematischen Beziehung zwischen diesen Faktoren – verwenden, um die Gleichung zu lösen und zu einem Bild der Verteilung von Quarks und Gluonen innerhalb von Hadronen zu gelangen.

„Aber funktioniert das wirklich: ein Phänomen in diese beiden Faktoren zu zerlegen? » fragte Qi Shi, ein Gaststudent in der Nukleartheoriegruppe des Brookhaven Lab. „Wir mussten beweisen, dass das der Fall war.“

Dazu führten die Wissenschaftler eine umgekehrte Faktorisierung durch.

„Wir haben die Situation umgedreht“, sagte Shi.

Shi und Xiang Gao, ein Postdoktorand in der Gruppe, verwendeten Supercomputer und Raum-Zeit-Netzwerksimulationen, um Quark-Antiquark-Verteilungen in Mesonen (Y, in der Gleichung oben) zu berechnen. Dann verwendeten sie die einfachsten Stift-auf-Papier-Berechnungen der Quark/Gluon-Wechselwirkungen mit Photonen (Z) und führten die Berechnungen durch, um den vorhergesagten Wert für die experimentelle Messung (X) zu ermitteln: die Ladungsverteilung im Inneren der Mesonen.

Schließlich verglichen die Wissenschaftler diese neuen Vorhersagen mit denen, die sie mithilfe einer separaten Berechnung auf einem Supercomputer gemacht hatten und die mit den Niedrigenergiemessungen des Jefferson Laboratory übereinstimmten. Durch den Vergleich der beiden Vorhersagen – eine wurde mithilfe der Faktorisierung und die andere unabhängig voneinander mithilfe des Netzwerksimulationsansatzes berechnet – konnten sie testen, ob die Faktorisierung ein gültiger Weg zur Lösung solcher Probleme ist.

Die inversen Faktorisierungsberechnungen stimmten perfekt mit ihren vom Supercomputer berechneten Vorhersagen überein.

„In diesem Fall können wir alles vollständig über das Netzwerk berechnen“, sagte Shi. „Wir haben diesen speziellen Fall gewählt, weil wir mithilfe unabhängiger Berechnungen sowohl die linke als auch die rechte Seite der Gleichung berechnen können, um zu zeigen, dass die Faktorisierung funktioniert.“

Jetzt können Wissenschaftler mithilfe der Faktorisierung andere EIC-Observablen vorhersagen und analysieren, selbst wenn eine Seite nicht direkt berechnet werden kann.

„Diese Arbeit zeigt, dass der Faktorisierungsansatz funktioniert“, sagte Peter Petreczky, Leiter der Gruppe und Co-Autor des Papiers. „Wissenschaftler können nun zukünftige EIC-Daten und Faktorisierungen nutzen, um auf andere, komplexere Quark- und Gluonenverteilungen in Hadronen zu schließen, die selbst mit den leistungsstärksten Computern und ausgefeiltesten Techniken nicht berechnet werden können.“